编译器内存优化 - 重用现有块

是否对此进行了优化

只有当您询问特定的编译器时，才能回答此问题。答案可以通过检查生成的代码找到。

以便他们重用现有的内存块，而不是分配第二个内存块，如果编译器知道第一个块不会再次被引用？

这种优化不会改变程序的行为，因此是允许的。另一个问题是：是否有可能证明内存不会被引用？如果有可能，那么在合理的时间内证明是否足够容易？我觉得很安全地说，一般来说不可能证明，但在某些情况下是可以证明的。

我认为这仅在同一个 c 文件中实现安装程序和 foo 时才有效(与调用代码存在于同一对象中)？

这通常需要证明记忆的不可触碰性。从理论上讲，链接时间优化可能会解除这一要求。

这也适用于动态内存分配吗？

从理论上讲，因为它不会改变程序的行为。但是，动态内存分配通常由库执行，因此编译器可能无法证明没有副作用，因此无法证明删除分配不会改变行为。

如果内存保留在范围之外，但使用方式与示例中给出的方式相同，这是否也可能？

如果编译器能够证明内存泄漏，那么也许。

尽管优化是可能的，但它并不是很重要。节省一点堆栈空间可能对运行时影响很小。如果数组很大，防止堆栈溢出可能很有用。

https://godbolt.org/g/5nDqoC

#include <cstdlib>
extern int a;
extern int b;
int main()
{
{
int tab[1];
tab[0] = 42;
a = tab[0];
}
{
int tab[1];
tab[0] = 42;
b = tab[0];
}
return 0;
}

使用 gcc 7 和 -O3 编译标志编译：

main:
mov     DWORD PTR a[rip], 42
mov     DWORD PTR b[rip], 42
xor     eax, eax
ret

如果您点击该链接，您应该会看到在 gcc 上编译的代码，并使用 -O3 优化级别进行 clang。生成的asm代码非常简单。由于存储在数组中的值在编译时是已知的，因此编译器可以轻松跳过所有内容并直接设置变量 a 和 b。不需要缓冲区。
遵循类似于示例中提供的代码的代码：

https://godbolt.org/g/bZHSE4

#include <cstdlib>
int func1(const int (&tab)[10]);
int func2(const int (&tab)[10]);
int main()
{
int a[10];
int b[10];
func1(a);
func2(b);
return 0;
}

使用 gcc 7 和 -O3 编译标志编译：

main:
sub     rsp, 104
mov     rdi, rsp ; first address is rsp
call    func1(int const (&) [10])
lea     rdi, [rsp+48] ; second address is [rsp+48]
call    func2(int const (&) [10])
xor     eax, eax
add     rsp, 104
ret

您可以看到发送到函数 func1 和 func2 的指针是不同的，因为在调用 func1 时使用的第一个指针是rsp，在调用 func2 时是[rsp+48]。

您可以看到，在可预测的情况下，编译器会完全忽略您的代码。在另一种情况下，至少对于 gcc 7 和 clang 3.9.1，它没有优化。

https://godbolt.org/g/TnV62V

#include <cstdlib>
extern int * a;
extern int * b;
inline int do_stuff(int ** to)
{
*to = (int *) malloc(sizeof(int));
(**to) = 42;
return **to;
}
int main()
{
do_stuff(&a);
free(a);
do_stuff(&b);
free(b);
return 0;
}

使用 gcc 7 和 -O3 编译标志编译：

main:
sub     rsp, 8
mov     edi, 4
call    malloc
mov     rdi, rax
mov     QWORD PTR a[rip], rax
call    free
mov     edi, 4
call    malloc
mov     rdi, rax
mov     QWORD PTR b[rip], rax
call    free
xor     eax, eax
add     rsp, 8
ret

虽然不擅长阅读本文，但很容易看出，通过以下示例，malloc 和 free 既没有被 gcc 也没有被 gcc 或 clang 优化(如果你想尝试使用更多的编译器，适合你自己，但不要忘记设置优化标志)。 您可以清楚地看到对"malloc"的调用，然后是对"free"的调用，两次

优化堆栈空间不太可能真正影响程序的速度，除非您操作大量数据。 优化动态分配的内存更为相关。AFAIK 如果您打算这样做，您将不得不使用第三方库或运行自己的系统，这不是一项微不足道的任务。

编辑：忘了提到显而易见的，这是非常依赖于编译器的。

当编译器看到a用作函数的参数时，它不会优化b。它不能，因为它不知道使用a和b的函数中会发生什么。a也一样：编译器不知道不再使用a。

就编译器而言，例如，a的地址可以由setup0存储在全局变量中，并在使用b调用时被setup1使用。

简短的回答是：不！编译器无法将此代码优化为您建议的内容，因为它在语义上不等效。 长扩展：a和b的生命周期对整个块进行了一些简化。 所以现在让我们假设，setup_0或use_0中的一个在某个全局变量中存储了一个指向a的指针。现在允许setup_1和use_1通过这个全局变量与b结合使用a(例如，它可以添加a和b的数组元素。如果您建议的代码转换已完成，这将导致未定义的行为。如果你真的想对生存期做出陈述，你必须按以下方式编写代码：

{
{ // Lifetime block for a
char a[100];
setup_0(a);
use_0(a);
} // Lifetime of a ends here, so no one of the following called
// function is allowed to access it. If it does access it by
// accident it is undefined behaviour
char b[100];
setup_1(b); // Not allowed to access a
use_1(b);   // Not allowed to access a
}

另请注意，gcc 12.x 和 clang 15 都会进行优化。如果您注释掉大括号，则优化(正确！)未完成。

是的，理论上，编译器可以按照您的描述优化代码，假设它可以证明这些函数没有修改作为参数传入的数组。

但在实践中，不，这不会发生。您可以编写一个简单的测试用例来验证这一点。我避免定义帮助程序函数，因此编译器无法内联它们，而是通过 const 引用传递数组以确保编译器知道函数不会修改它们：

void setup_0(const int (&p)[10]);
void use_0  (const int (&p)[10]);
void setup_1(const int (&p)[10]);
void use_1  (const int (&p)[10]);
void TestFxn()
{
int a[10];
int b[10];
setup_0(a);
use_0(a);
setup_1(b);
use_1(b);
}

正如你在Godbolt的编译器资源管理器上看到的，没有编译器(GCC，Clang，ICC和MSVC)会优化它以使用单个堆栈分配的10个元素数组。当然，每个编译器在堆栈上分配的空间量各不相同。其中一些是由于不同的调用约定，这些约定可能需要也可能不需要红色区域。否则，这是由于优化程序的对齐首选项。

以 GCC 的输出为例，您可以立即判断出它没有重用数组a。以下是反汇编，带有我的注释：

; Allocate 104 bytes on the stack
; by subtracting from the stack pointer, RSP.
; (The stack always grows downward on x86.)
sub     rsp, 104

; Place the address of the top of the stack in RDI,
; which is how the array is passed to setup_0().
mov     rdi, rsp
call    setup_0(int const (&) [10])
; Since setup_0() may have clobbered the value in RDI,
; "refresh" it with the address at the top of the stack,
; and call use_0().
mov     rdi, rsp
call    use_0(int const (&) [10])

; We are now finished with array 'a', so add 48 bytes
; to the top of the stack (RSP), and place the result
; in the RDI register.
lea     rdi, [rsp+48]
; Now, RDI contains what is effectively the address of
; array 'b', so call setup_1().
; The parameter is passed in RDI, just like before.
call    setup_1(int const (&) [10])
; Second verse, same as the first: "refresh" the address
; of array 'b' in RDI, since it might have been clobbered,
; and pass it to use_1().
lea     rdi, [rsp+48]
call    use_1(int const (&) [10])

; Clean up the stack by adding 104 bytes to compensate for the
; same 104 bytes that we subtracted at the top of the function.
add     rsp, 104
ret

那么，什么给了呢？当涉及到重要的优化时，编译器是否只是在这里大量错过了这条船？不。在堆栈上分配空间非常快速且便宜。与 ~100 字节相比，分配 ~50 个字节几乎没有什么好处。不妨安全起见，分别为两个阵列分配足够的空间。

如果两个数组都非常大，则重用第二个数组的堆栈空间可能会有更多的好处，但根据经验，编译器也不会这样做。

这是否适用于动态内存分配？不。强调没有。我从未见过像这样围绕动态内存分配进行优化的编译器，我不希望看到一个。这根本说不通。如果要重用内存块，则需要编写代码来重用它，而不是分配单独的块。

我想你在想，如果你有类似以下 C 代码的东西：

void TestFxn()
{
int* a = malloc(sizeof(int) * 10);
setup_0(a);
use_0(a);
free(a);
int* b = malloc(sizeof(int) * 10);
setup_1(b);
use_1(b);
free(b);
}

优化器可以看到您正在释放a，然后立即重新分配与b大小相同的块？好吧，优化器不会识别这一点并避免对free和malloc的背靠背调用，但运行时库(和/或操作系统)很可能会识别。free是一个非常便宜的操作，而且由于刚刚发布了适当大小的块，因此分配也将非常便宜。(大多数运行时库为应用程序维护一个私有堆，甚至不会将内存返回到操作系统，因此根据内存分配策略，您甚至有可能返回完全相同的块。